数字集成电路设计之电路参数及性能

电路参数及性能第四章第四章电路参数和性能4.1MOS晶体管的参数阈值(开启)电压、沟道长度调制效应、漏-源截止电流；直流导通电阻；栅-源直流输入电阻；栅-源击穿电压；漏-源击穿电压4.2信号传输延迟CMOS门延迟、连线延迟、电路扇出延迟、大电容负载驱动电路4.3CMOS电路功耗CMOS电路的静态功耗、CMOS电路的动态功耗、电路总功耗、功耗管理电路参数和性能4.4CMOS电路的闸流效应闸流效应原因、闸流效应的控制4.5电路模拟HSPICE简介文件格式、应用例子4.6设计例子§§4.1MOS4.1MOS晶体管的参数晶体管的参数第四章第四章§4.1.1阈值（开启）电压+VG场效应—电场在半导体中感应电荷，VG控制FET电流MOS结构1.表面场效应空穴+_VOXsΦ所以:VG=VOX+sΦVOX是氧化层压降sΦ是表面电势表面电荷密度Qs=-CoxVGQs是半导体表面的所有电荷§§4.1MOS4.1MOS晶体管的参数晶体管的参数①VGVTn形成耗尽层栅氧层下电荷全为不能移动的负离子体电荷，形成耗尽区，且Qs=QB+VG②VVGGVVTnTn形成反型层Qs=QB+QeQe:沟道中的自由电子电荷。VTn:Qe刚形成时的栅电压此时QB不增加Qe=-Cox(VG-VTn)反型层耗尽层（高阻层）§§4.1MOS4.1MOS晶体管的参数晶体管的参数+VG有反型层电子电荷MOS结构反型层2.电子层形成条件⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=iaFnNLnqKTΦ表面电势时电子层开始形成FsΦΦ2=体费米电势由型半导体中硼的掺杂密度确定:FΦ§§4.1MOS4.1MOS晶体管的参数晶体管的参数()FSFSSOXGTNVVVΦϕΦΦΦ22==+==①理想MOS：氧化层没有寄生电荷，栅和半导体材料一样（与实际情况不符）3.阈值电压VTN表面电势时VG上的电压定义：FsΦΦ2=即界面的电子浓度等于P型衬底的多子浓度时的栅压FSSOXSCQΦΦΦ2=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−=()FOXFAsiCNqΦΦε222+=§§4.1MOS4.1MOS晶体管的参数晶体管的参数②实际MOS：氧化层有寄生电荷，栅和半导体材料有功函数差()OXMSFOXFAsiTNVCNqV+++=ΦΦΦε222可用平带电压VFB来代替()FBFOXFAsiTNVCNqV++=ΦΦε222MSgatesiliconΦ=Φ-Φ()⎛⎞⎜⎟⎝⎠subFikTNΦ=lnqn§§4.1MOS4.1MOS晶体管的参数晶体管的参数③现代MOS工艺调整阈值电压VTN：()OXIFOXFAsiTNCqDCNqV++=ΦΦε222通过控制到N沟道区表面的硼离子注入剂量DI(cm-2)，调整量为qDI/COX§§4.1MOS4.1MOS晶体管的参数晶体管的参数④考虑衬底调制效应（体效应）的MOS管：体效应:衬底是接地的，但源极未必接地，源极不接地时对VT值的影响称为体效应(BodyEffect)。VVBB≠≠VVSSVdd§§4.1MOS4.1MOS晶体管的参数晶体管的参数γ是衬底效应的系数（常数），Na是P衬底受主掺杂剂浓度。栅氧层薄，则Cox大，体偏置系数小。()[]fsbftTNVVVΦΦγ220−++=bsiOXOXNqTεεγ2=其中Vt0是当Vsb=0时的开启电压()OXIFOXFAsiTNCqDCNqV++=ΦΦε222§§4.1MOS4.1MOS晶体管的参数晶体管的参数VSB=0.5vVSB=0vMOS管体效应的Pspice仿真结果VB0耗尽区电荷随VSB的变化VB0VSB=-0.5v§§4.1MOS4.1MOS晶体管的参数晶体管的参数4、影响VT值的四大因素1.材料的功函数之差当金属电极同Si晶片接触时，φms=φm-φs对于Al⎯Si(p)接触，φms=(-0.7)∼(-1.5)2.SiO2层中可移动的正离子主要是Na+离子的影响,使阈值电压降低3.氧化层中固定电荷固定正电荷QF使阈值电压降低4.界面势阱Si与其它材料界面上，硅晶格突然终止有电子被挂起，形成挂键,导致界面势阱.§§4.1MOS4.1MOS晶体管的参数晶体管的参数§4.1.2沟道长度调制效应§§4.1MOS4.1MOS晶体管的参数晶体管的参数′ΔL=L-L2noxDGSTHDSμCWI=(V-V)(1+λV)2L沟道长度调制因子沟道长度调制因子()()TGSDSbSiVVVqNL−−=εΔ2§4.1.3漏-源截止电流1.PN结反向饱和电流IOAninONLnAqDI2=增强型的MOS晶体管，VGS0截止状态下的漏电流2.耗尽层产生电流IgndigXAqnIτ2≈3.场开启漏电流n+P-SiAlSiO2n+寄生晶体管N+N+Al§§4.1MOS4.1MOS晶体管的参数晶体管的参数§4.1.4直流导通电阻Ronμ2noxDGSTHDSDSCWI=[2(V-V)V-V]2L1、非饱和区(三极管区)（0VDSVGS－VT）当即MOS在深三极管区时DSGSTHV2(V-V)DSTNGSoxnoxDSDSonVVVWLtIVR−−==)(212εμdsdsonIVR=nFET漏源电阻：Rn=VDSn/IDn是非线性的适宜数字电路()TGSVonVVRds−=→β10§§4.1MOS4.1MOS晶体管的参数晶体管的参数()221TNGSDSonVVVR−=β22、、饱和区饱和区等效为一个压控电阻§§4.1MOS4.1MOS晶体管的参数晶体管的参数()02211=−==−=DSTGSDSVonTNGSVVVonRVVRβ§4.1.5栅-源直流输入电阻1)阻抗很高。负载能力强2)栅极漏电流很小。（动态电路：电信号暂存在电容上一定时间）栅-源直流输入电阻是栅介质SiO2的绝缘电阻n+n+P-Sitox栅极§§4.1MOS4.1MOS晶体管的参数晶体管的参数§4.1.6栅-源击穿电压简单的栅源保护电路栅-源击穿电压BVGS是栅源之间能够承受的昀高电压§§4.1MOS4.1MOS晶体管的参数晶体管的参数§4.1.7漏-源击穿电压饱和区的MOS管，VDSBVDS漏极的耗尽层会延伸到源极,使电流流动与栅极电压无关。§§4.1MOS4.1MOS晶体管的参数晶体管的参数§§4.24.2信号传输延迟信号传输延迟第四章第四章§4.2.1CMOS门延迟1.门延迟：信号从逻辑门输入端到其输出端的延迟时间反相器VinVoutCLVDDVoutRpVDDVin50(a)Low-to-highCLVoutRnVDDVin5VDD(b)High-to-lowCL§§4.24.2信号传输延迟信号传输延迟22、上升时间、下降时间与、上升时间、下降时间与延迟时间z上升时间tr：输入阶跃波的条件下，输出信号电压从10%VDD上升到90%VDD需要的时间。§§4.24.2信号传输延迟信号传输延迟z下降时间tf：输入阶跃波的条件下，输出信号电压从90%VDD下降到10%VDD需要的时间。z延迟时间td：输入阶跃波的条件下，输入电压变化到50%VDD时刻到输出电压变化到50%VDD的时刻的时间间隔。3、CMOS反相器的转换特性DDVDDVDD90%VDD10%VftrtINVOUTVttVOL=0VOH=VDDVM=f(Rn,Rp)§§4.24.2信号传输延迟信号传输延迟①上升时间trPMOS导通，对负载电容充电的电流()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+−−−=DDTPDDTPDDDDTPTPDDprVVVInVVVVVVCt2019211.01.021βpoutDDoutoutRVVdtdVCi−==§§4.24.2信号传输延迟信号传输延迟DDPLfVKCT=②下降时间tfNMOS导通，对负载电容放电的电流()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+−−−=DDTHDDTNDDDDTNTHDDNfVVVInVVVVVVCt2019211.021βnoutoutoutRVdtdVCi=−=§§4.24.2信号传输延迟信号传输延迟DDNLfVKCT=③传播延迟td输入到50%输出的延迟时间tp=(tpf+tpr)/2()()pnpnp.InIntττττ+≈+=350222传播时间定义§§4.24.2信号传输延迟信号传输延迟tVouttVin50%50%10%90%tpLHtpHLtrtf§§4.24.2信号传输延迟信号传输延迟z上升和下降时间改写为：延时分析小结()LprLFETpoutprCatCCR.CR.t+=+==02222()LnfLFETnoutnfCatCCR.CR.t+=+==02222()TPDDpppVV.R.a−==β2222()TnDDnnnVV.R.a−==β2222式中：LWk'=βpnββ=各自决定上下沿，对称WW大的大的FETFET器件快！以面积为代价器件快！以面积为代价§§4.24.2信号传输延迟信号传输延迟§4.2.2连线延迟连线模型SubstrateLDielectric§§4.24.2信号传输延迟信号传输延迟§§4.24.2信号传输延迟信号传输延迟以分布RC段表示的长导线()2170+×=nRC.Tnn信号延迟时间:2702rcl.Tn×=∞→解决方法:缓冲器§§4.24.2信号传输延迟信号传输延迟§4.2.3电路扇出延迟电路的扇出:电路输出端接的输入门的个数§§4.24.2信号传输延迟信号传输延迟§§4.24.2信号传输延迟信号传输延迟90909090CovCovCovCovCGPCGNVINVOUTVDDVSSSGBDDGBS扇出电容OVGNOVGPGfanoutCCCCCC22+++==∑§4.2.4大电容负载驱动电路驱动大电容解决方法:采用逐级放大反向器链INVLCOUTVfτfτfτfτfτ1CgC2C3C122ggnLgCfCCfCCfC===MLgln(/)/lnnCCf=放大级数7211.eCCfminNL≈=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=τ放大因子§§4.24.2信号传输延迟信号传输延迟§§4.3CMOS4.3CMOS电路功耗电路功耗第四章第四章§4.3.1CMOS电路的静态功耗静态功耗：漏电流引起的功耗（亚阈值泄漏电流，源漏区PN结反偏电流，栅氧化层隧穿电流等产生）leakPNSUBIII=+staticDDleakPVI=⋅AnnPNNLnAqDIi2=§§4.3CMOS4.3CMOS电路功耗电路功耗§4.3.2CMOS电路的动态功耗动态功耗：由CMOS开关瞬态电流和负载电容的充放电造成1）输入波形为理想的阶跃波形()()()⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−+=∫∫2021dddtttOddpOnpddtVVtidtVtitP()dtdVCtiL0=()()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+−−=∫∫000000ddddVVddddpdLddVVVVdVVtCP2ddpLVfC=动态功耗与输入信号频率成正比，而与器件参数无关§§4.3CMOS4.3CMOS电路功耗电路功耗(a)负载电容充电功耗(b)P、N管会同时导通，产生一个窄脉冲电流§§4.3CMOS4.3CMOS电路功耗电路功耗§§4.3CMOS4.3CMOS电路功耗电路功耗2）输入为非理想的波形反相器处于输入非理想波形上升沿和下降沿的瞬间，负载管和驱动管会同时导通引起的功耗()fr'maxddpAttIVfP+≈21§4.3.3电路总功耗201LDDclkscleakDDPPCVfIVα→=⋅++⋅估算精度的方法:PddtotaldTVCP××=百分比1)计算电路中所有门输出驱动的电容值()PddswitchedtotaldTVCP××=−时钟周期数2)软件模拟总功耗：P=Ps+Pd+PA§§4.3CMOS4.3CMOS电路功耗电路功耗§4.3.4功耗管理1、功耗设计中的基本问题1）导体的电迁移现象；2）是散热问题；3）是供电问题2、功耗的降低基本途径1)降低电源电压；2)减小负载电容；3)降低逻辑门的活动因子。§§4.3CMOS4.3CMOS电路功耗电路功耗①时钟控制，关断不活动电路；1)降低电源电压⑤重定时，电路内等效移动寄存器，改进吞吐量和减小开关活动率；②路径平衡，减